211service.com
Quantum Breakthrough förebådar en ny generation av perfekt säkra meddelanden
Redan på 1980-talet upptäckte kvantfysiker att kvantmekanikens konstiga regler gjorde det möjligt för information att skickas från en del av universum till en annan med fullständig integritet. Denna så kallade kvantkryptografi skulle vara perfekt, sa de, eftersom säkerheten för meddelandet skulle garanteras av fysikens lagar.
Inom några år demonstrerade forskare tekniken i labbet och idag blir kvantkryptografi kommersiellt gångbar tack vare företag som ID Quantique i Genève, Schweiz.
Men hela mekanismen är lite kontraintuitiv. Det privata meddelandet skickas inte alls med hjälp av kvantmekanik. Istället använder fysiker kvantprocesser för att skicka en kod som kallas en engångsplatta som används för att kryptera det ursprungliga meddelandet. Det krypterade meddelandet skickas sedan över en vanlig telekommunikationskanal och avkodas på vanligt sätt. Tekniken kallas kvantnyckelfördelning.
Alice och Bob kan utbyta helt säkra meddelanden med den nya kvanttekniken.
Datavetare vet att ett meddelande som är kodat med en engångsplatta inte kan brytas. Så säkerheten kommer från möjligheten att skicka engångsblocket med perfekt integritet, vilket är vad detta tillvägagångssätt garanterar.
Och det väcker en intressant fråga. Om det är möjligt att skicka engångsplattan säkert med hjälp av kvantmekanik, varför inte bara skicka det ursprungliga meddelandet på det sättet?
Idag säger Wei Zhang vid Tsinghua University i Peking och några kompisar att de har gjort just detta. Den nya processen kallas kvantsäker direktkommunikation, och det kinesiska teamet har använt den genom 500 meter fiberoptisk kabel för första gången.
Anledningen till att fysiker har förlitat sig på engångsskydd tidigare är enkel. Frågan är om ett meddelande har hörts. Fysiker kan kontrollera detta eftersom kvantpartiklar inte kan mätas utan att förstöra informationen de innehåller.
Så när fotoner sänds, om de anländer i samma tillstånd som de skickades i, kan en avlyssnare inte ha extraherat informationen de innehåller. Men om de anländer i ett annat tillstånd är det ett tydligt bevis på att informationen har läckt ut i miljön och att meddelandet inte är säkert.
(I praktiken kan fysiker vara säkra på att ett meddelande är säkert så länge detta läckage är under någon kritisk tröskel.)
Problemet är att läckaget blir uppenbart först efter att det har uppstått. Så en avlyssnare skulle redan ha informationen när fysikerna fick reda på knepet.
Det är därför de använder den här processen för att skicka en engångsknapp, en uppsättning slumpmässiga siffror som kan användas för att kryptera ett meddelande. Om engångsplattan hörs, ignorerar fysiker den helt enkelt och skickar en till, tills de kan vara säkra på att processen var helt privat.
Men fysiker skulle verkligen älska att göra sig av med engångsblocket om de kunde hitta ett sätt att säkerställa sekretessen för ett meddelande innan det skickas. Och för några år sedan utarbetade teoretiker ett sätt att göra detta.
Metoden utnyttjar kvantfenomenet intrassling. Detta inträffar när kvantpartiklar är så nära sammanlänkade att de delar samma existens - till exempel när de båda skapas på samma tid och plats.
När detta händer förblir partiklarna sammanlänkade, även när de är åtskilda av stora avstånd. Och en mätning på en partikel påverkar omedelbart den andras tillstånd.
Så tricket är att skapa en uppsättning intrasslade partiklar, såsom fotoner, och koda information i deras polarisationstillstånd. Så vertikal polarisering kan representera en ett och horisontell polarisation a 0 , till exempel.
Avsändaren, Alice, behåller en halva av varje par och skickar de andra till Bob, som sedan har en uppsättning fotoner som är intrasslade med Alices fotoner.
Bob delar upp sina fotoner slumpmässigt i två grupper. Han mäter polarisationerna för en uppsättning och skickar tillbaka resultaten till Alice. Hon kontrollerar sedan om tillstånden har ändrats under sändningen – med andra ord om Eve har lyssnat in.
Om inte, då vet Alice och Bob att Eve inte heller kan ha sett de andra fotonerna, eftersom de har separerats på måfå. Och det betyder att Alice och Bob kan använda de återstående fotonerna för att överföra data med den normala processen med kvantkommunikation, som är helt privat.
Och det är precis vad Zhang och co har gjort. En anledning till att experimentet är svårt är att fotonerna måste lagras medan denna kontrollprocess pågår. Zhang och co gör detta genom att skicka fotonerna runt en två kilometer lång slinga av optisk fiber och utföra kontrollerna så snabbt som möjligt. Ju längre tid det tar, desto mer sannolikt är det att fotonerna absorberas eller sprids av den optiska fibern.
Resultaten visar tydligt teknikens potential. Detta fiberbaserade QSDC-system har potential att realisera en överföringshastighet nära säkerhetsnyckelhastigheterna för nuvarande kommersiella kvantnyckeldistributionssystem, säger Zhang och co. Fördelen [är] att QSDC-systemet kunde överföra inte bara säkra nycklar utan även informationen direkt.
Naturligtvis behövs olika förbättringar för att göra den här typen av system kommersiellt gångbara. Men arbetet är en viktig språngbräda mot helt kvantbaserad säker kommunikation. Banker, regeringar och militära myndigheter kommer att titta ivrigt.
Ref: arxiv.org/abs/1710.07951 : Experimentell långdistans Quantum Secure Direct Communication